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人間のホッピング時の足と足首の準硬さを周波数の範囲で調節します
Regulation of foot and ankle quasi-stiffness during human hopping across a range of frequencies.
PMID: 32636016 DOI: 10.1016/j.jbiomech.2020.109853.
抄録
人間の足は、運動中に剛性を調整できるバネのように動作し、運動の経済性と汎用性を向上させます。このバネのようなメカニズムに足が貢献する可能性は確立されています。しかし、これまでのモデル化アプローチでは、足部セグメントが剛体であることを前提としていたため、足首と足部の準剛性を積極的に調整できるかどうかは不明であった（準剛性とは、印加された荷重下での関節の変形の尺度である）。本研究では、中足部の準硬性が負荷の増加に伴って足首と同様の方法で増加しているかどうか、また、これらの変化が足底筋の活性化の増加によって媒介されているかどうかを明らかにしようとした。また、足関節の準硬性の測定値の違いについても定量化しました。22名の健常者を対象に、3つの周波数（2.0Hz、2.3Hz、2.6Hz）で片足ホッピング課題を実施し、下肢運動学、運動学、筋活性化（EMG）を測定した。運動学と運動学は中足部で計算され、2つの異なる足首モデル（剛足モデル（shank-foot）と解剖学的足首（shank-calcalcaneus））を用いて計算された。中足部の準硬性はホッピング周波数とともに増加し（p<0.05）、接触相の内在性筋活性化は減少した（p<0.05）。剛足モデルの仮定では、足首のROMを10°程度過大評価し、足首の準硬性を45～60%過小評価していましたが、本研究では、中足部の準硬性を45～60%過小評価しています。この研究では、中足部の準硬性がホッピング頻度に応じて増加することが示されていますが、この変化のメカニズムは明らかになっていません。さらに、この研究では、適切なモデルを用いて足首と足部を独立して評価し、可動域や関節準硬性などの足首の基本的な運動学的・運動学的出力の重大な不正確さを回避する必要があることが示されました。
Human legs operate like springs with adjustable stiffness during locomotion, improving movement economy and versatility. The potential for the foot to contribute to this spring-like mechanism has been established. However, due to previous modelling approaches assuming a rigid-foot segment, it is unknown if ankle and foot quasi-stiffness can be actively regulated, quasi-stiffness being a measure of joint deformation under an applied load. In this study, we sought to determine if midfoot quasi-stiffness was increased in a similar manner as the ankle with increasing load demands, and if these changes were mediated by increased activation of the intrinsic foot muscles. We also quantified differences in measures of ankle joint quasi-stiffness attributable to the modelling assumption of a rigid-foot segment versus a multi-segment foot. Twenty-two healthy individuals performed a single-leg hopping task at three frequencies (2.0 Hz, 2.3 Hz, and 2.6 Hz) while measuring lower limb kinematics, kinetics and muscle activation (EMG). Kinetics and kinematics were calculated at the midfoot and using two different ankle models: rigid-foot model (shank-foot) and an anatomical ankle (shank-calcaneus). Midfoot quasi-stiffness increased with hopping-frequency (p < 0.05), while contact phase intrinsic foot muscle activation decreased (p < 0.05). The assumption of a rigid-foot model overestimated ankle ROM by ~10° and underestimated ankle quasi-stiffness by 45-60%. This study demonstrates that midfoot quasi-stiffness increases with hopping-frequency; however, the mechanism for these changes remains unclear. Furthermore, this study demonstrates the need to assess the ankle and foot independently, using appropriate models, to avoid significant inaccuracies in basic ankle kinematic and kinetic outputs, such as range of motion and joint quasi-stiffness.
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